Физики смоделировали и изготовили детектор ультрафиолетового излучения с внешней квантовой эффективностью выше 130 процентов. В качестве активного материала они использовали наноструктуру из «черного кремния», которая позволила снизить отражательную способность поверхности.

Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт доступен на arXiv.org.

Квантовая эффективность показывает насколько хорошо фотодетектор преобразовывает фотоны падающего излучения в электроны. Теоретический предел Шокли-Квайссера говорит, что один пришедший на сенсор фотон может выбить не более одного электрона. Тем не менее, при облучении материала фотонами с большой энергией возможно образование «горячих» зарядов, которые в свою очередь могут ударяться об атомы этого материала, ионизировать их и приводить к дальнейшему рождению зарядов. В результате, один высокоэнергетичный фотон способен породить более одного электрона. В результате значение квантовой эффективности может превышать сто процентов.

Важно различать внешнюю и внутреннюю квантовые эффективности. Внешняя показывает отношение выбитых электронов ко всем фотонам, которые прилетели на фотодетектор. Однако часть фотонов отражается от поверхности и не попадает в структуру. Отношение числа выбитых электронов к поглощенным фотонам называется внутренней квантовой эффективностью, значение которой всегда выше величины внешней.

В 2016 году группа ученых под руководством Хеле Савин (Hele Savin) из университета Аалто продемонстрировала фотодетектор на основе наноструктуры из «черного кремния» и оксида алюминия с внешней квантовой эффективностью 96 процентов. Такое устройство может регистрировать длины волн в диапазоне от 250 до 950 нанометров и работать при падении света под большими углами — до 70 градусов.

В новой работе ученые в немного другом составе усовершенствовали предыдущую наноструктуру и сконцентрировались на длинах волн меньше 300 нанометров. Как и в прошлой работе, они использовали наноструктуры из «черного кремния». Отражательная способность такого материала ниже, чем у обычной плоской поверхности. То есть почти все фотоны, которые прилетают на детектор, попадают внутрь структуры.

Авторы исследовали зависимость квантовой эффективности от длины волны падающего излучения. Для видимого диапазона и внешняя и внутренняя квантовые эффективности оказались близки к ста процентам, в то время как для излучения с длиной волны 200 нанометров эти значения превысили 130 процентов. Это связано с тем, что фотоны ультрафиолетового диапазона обладают большими энергиями и могут приводить к ударной ионизации.

В своей работе авторы смоделировали и изготовили два типа структур — конусообразные и столбчатые.